引言

　　Linux支持PowerPC、MIPS、ARM、DSP等多種嵌入式處理器，逐漸被用于多種關鍵性場合。其中實時多媒體處理、工業控制、汽車電子等特定應用對Linux提出了強實時性需求。Linux提供了一些實時擴展，但需要進行實時性改造。本文針對嵌入式Linux實時化技術中的一些關鍵問題進行了討論，如Linux內核時延，實時化主流技術方案及其評價等。

　　Linux內核時延

　　主流Linux雖然部分滿足POSIX 1003.1b實時擴展標準，但還不完全是一個實時操作系統，主要表現為：

　　● 任務調度與內核搶占

　　2.6版本內核添加了許多搶占點，使進程執行在內核代碼時也可被搶占。為支持內核代碼可搶占，在2.6版內核中通過采用禁用中斷的自旋鎖來保護臨界區。但此時如果有低優先級進程在臨界區中執行，高優先級進程即使不訪問低優先級所保護的臨界區，也必須等待低優先級進程退出臨界區。

　　● 中斷延遲

　　在主流Linux內核設計中，中斷可以搶占最高優先級的任務，使高優先級任務被阻塞的最長時間不確定。而且，由于內核為保護臨界區需要關閉中斷，更加增長了高優先級任務阻塞時間。

　　● 時鐘精度

　　Linux通過硬件時鐘編程來產生毫秒級周期性時鐘中斷進行內核時間管理，無法滿足實時系統較高精度的調度要求。內核定時器精度同樣也受限于時鐘中斷，無法滿足實時系統的高精度定時需求。

　　● 其他延遲

　　此外，Linux內核其他子系統也存在多種延遲。比如為了增強內核性能和減少內存消耗，Linux僅在需要時裝載程序地址空間相應的內存頁。當被存取內容(如代碼)不在RAM中則內存管理單元(MMU)將產生頁表錯誤(Page-Fault)觸發頁面裝載，造成實時進程響應時間不確定。

　　Linux實時化技術發展

　　主流Linux內核1.x、2.2.x和2.4.x版本的Linux內核無搶占支持，直到2.6版本的Linux內核才支持可搶占內核，支持臨界區外的內核搶占和可搶占的大內核鎖。在此基礎上，Linux采用了下列兩類實時化技術。

　● 雙內核方式

　　Linux內核實時化雙內核方式以RTLinux、RTAI和Xenomai等為典型代表。其中RTLinux實現了一個微內核實時操作系統支持底層任務管理、中斷服務例程、底層任務通信隊列等。普通Linux作為實時操作系統的最低優先級任務，Linux下的任務通過FIFO命名管道和實時任務進行通信，如圖1所示。

　　當Linux要關閉中斷時，實時微內核會截取并記錄這個請求，通過軟件來模擬中斷控制器，而沒有真正關閉硬件中斷，避免了由于關中斷所造成的響應延遲。RT-Linux將系統實時時鐘設置為單次觸發模式，提供微秒級的時鐘精度。RTAI類似RTLinux的實現方式，不同之處在于它修改了體系結構相關代碼，形成一個實時硬件抽象層(RTHAL)，使其實時任務能在任何時刻中斷普通Linux任務，兩者之間通過非阻塞隊列進行通訊。RTAI將直接修改Linux內核的代碼減至最少，具有更好的可移植性。Xenomai以RTAI為基礎，也稱RTAI /Fusion。采用了Adeos微內核替代RTAI的硬件抽象層。其特色還在于模仿了傳統RTOS的API接口，推動傳統RTOS應用在GNU/Linux下的移植。類似還有基于Fiasco微內核的L4Linux等開源項目。

　　● 內核補丁方式

　　雙內核實時方案下，實時任務需要按照微內核實時操作系統提供的另外一套API進行設計。而內核補丁方式則不改變Linux的API，原有應用程序可在實時化后的操作系統上運行，典型的有早期研究性的Kurt-Linux和Red-Linux，商業版本的MontaVista、TimeSys 和Wind River Linux，以及現階段Ingo Monlnar等人開發的實時搶占補丁內核等[3]。

　　Kurt-Linux是第一個基于普通Linux的實時操作系統。通過正常態、實時態和混合態進行實時和非實時任務的劃分。RED-Linux通過任務多種屬性和調度程序，可以實現多種調度算法。采用軟件模擬中斷管理，并在內核插入了許多搶占點，提高了系統調度精度。

　　MontaVista Linux在低延遲補丁以及可搶占內核補丁基礎上[4]，通過開發內核O(1)實時調度程序并對可搶占內核進行了改進和測試，Linux 2.4內核時代，MontaVista Linux 作為商業成熟產品在實時性上有較強的優勢。TimeSys Linux通過內核模塊的方式也提供了高精度時鐘、優先級繼承mutex等支持。

　　2.6版本的主流內核吸收了以上技術，支持CONFIG_PREEMPT_NONE，CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY和CONFIG_PREEMPT等多種配置選項。分別適合于計算型任務系統，桌面用戶系統和毫秒級延遲嵌入式系統。2005年，針對2.6內核MontaVista推出了實時Linux計劃，推進了Linux內核實時化進程。隨后Ingo Molnar發布了新的實時搶占補丁，并逐漸成為Linux內核實時主流技術，也為包括MontaVista Linux，Wind River Linux采用和補充，本文后續內容要涉及實時搶占補丁。